摘要
在全球化石能源逐渐枯竭以及碳中和碳达峰的发展背景下，全球能源结构发生重大的变化，其中可再生能源的使用比例不断提升。然而，风、光为主的可再生能源具有间歇性和不稳定性的特点，大规模接入电网会为运行带来严峻挑战。基于热力学循环电-热-电转换的电能储存以及释放过程，卡诺电池储能技术是一种新型的大规模长时储能技术。其成本低廉、不受地理条件限制，具有相当程度的发展潜力与应用前景。采用布雷顿循环的卡诺电池储能技术，也称为热泵储电技术(Pumped thermal electricity storage,PTES)具有储能温度高，往返效率高以及结构简单等优点，是当前的主流PTES系统。然而，PTES系统的现有研究主要聚焦于理论研究下的性能分析，且没有综合考虑循环中压缩膨胀过程以及换热过程的各项损失。因此，针对PTES系统的详细稳态热力学分析、动态分析、集成优化以及换热器部件研发设计等研究工作亟需开展。 首先，本文针对PTES系统开展综合热力学分析，得到往返效率、储能密度与功率密度的具体解析式，并分析系统参数对往返效率、储能密度与功率密度的影响。基于PTES系统的数值模型，采用遗传算法对储能系统进行性能优化，得到往返效率x、储能密度ρe和功率密度ρp之间的权衡关系，往返效率x随储能密度ρe的增加略有下减，随功率密度ρp的增加略有上升。此外，得到了 PTES系统的最大往返效率运行方案，最大储能密度运行方案以及最优运行方案的系统运行结果。最优运行方案中，系统往返效率提升至65.6％,储能密度提升至25.6kWh/m3，功率密度为 2.45 MW/(m3/s) 其次，建立了 5MW的PTES系统动态仿真模型，得到了在输入电功率扰动以及用户侧负荷扰动下的系统动态响应特性。 结果显示，当输入功率下降7％时，储热温度下降17.98K,熔盐比?损失率为6.49％。受热惯性的影响，储热温度的变化趋势明显滞后于电力输入扰动信号。而用户侧负荷下降会导致系统无法稳定运行。在PTES系统中引入了库存控制策略。充能过程的模拟结果显示，在电能输入的50％下降过程中，通过PI控制器调节循环中工质的库存总量，使储热温度的变化范围在2.18K以内，熔盐的比?损失率在0.79％以内。以实际风电厂日出力作为系统电力输入，储热温度的变化范围在1.81 K以内，熔盐的比?损失率在0.65％以内。释能过程的模拟结果显示，在用户侧负荷需求下降50％的过程中，库存控制策略下的系统净输出功率基本能够及时跟随用户侧负荷需求变化，在138 s内达到50％的用户侧负荷需求，波动误差在2.14％以内。将中国张北地区的典型日负荷需求引入PTES系统，系统净输出功率依然能够很好地及时跟随用户侧负荷需求变化。上述研究成果证明了库存控制策略在PTES系统中的可行性。 而后，提出了新型的太阳能辅助PTES集成系统的概念，以提高PTES系统的往返效率和太阳能利用效率。建立了额定输入电功率为5MW、额定容量为6个等效运行小时的太阳能辅助PTES集成系统热经济性模型。以往返效率、储能密度和平准化储能成本为集成系统性能指标，研究了主要部件性能参数和循环状态参数对集成系统性能指标的影响规律，并对集成系统性能指标进行多目标优化与权衡分析。 结果：显示随着储能密度ρe的增加，系统的往返效率xSolar-PTES下降，而平准化储能成本随着往返效率xSolar-PTES的降低先降低后略有上升。选择最小平准化储能成本工况进行分析。该工况下，太阳能辅助PTES集成系统太阳能热输入为5.05 MW,太阳能利用效率为35.7％。氮气工质质量流量为27.54 kg/s,系统的往返效率为68.1％,储能密度为16.63 kWh/m3,平准化储能成本为0.143±0.023 $/kWh。 然后，针对储能系统的关键部件换热器，开发了综合流动传热性能更好的两种新型印刷电路板式换热器(Printed circuit heat exchanger,PCHE)通道结构，以在相同换热器效能下，降低换热器的传热面积以及体积，从而提升PTES系统的经济性能。两种新型通道的相邻两翼型翅片之间分别插入了小梭形或小椭圆形翅片。以超临界二氧化碳为传热介质，对新型通道的流动传热性能和强化机理进行了数值研究。 结果表明，带有梭形翅片的新型通道综合性能最好。在所选条件下，带梭形翅片的通道，其努塞尔数Nu相比基准通道提升了 6.7～26％,f因子增加了 8.3～18.6％,综合性能评价指标(Comprehensive performance evaluation criteria,PEC)提高3～19.1％。带椭圆形翅片的通道，其Nu相比基准通道提升了 9～27.3％,f因子增大了 26.6～43.4％,PEC提高1～15.3％。在两个相邻翼型翅片之间加装小翅片，可以有效地减小连续的低流速区面积，增强局部扰动，从而有效地改善通道的流动传热性能。场协同原理可以很好地解释这两种新型PCHE通道结构的强化传热机理。 结果表明，两种新型通道内的温度梯度场和速度场的协同效应得到显著改善。以氮气作为传热介质，带有梭形翅片的新型通道，其综合流动传热性能相比于基准通道依然有明显提升，PEC提高了 4.27～17.7％。 最后，将新型PCHE通道结构引入PTES系统，开展了 PTES系统各换热器典型工况下的传热摩擦因数关联式拟合工作。模拟结果与所有关联式的最大偏差均在±8％以内。以此为基础，开展PTES系统各换热器在新型通道结构下的设计工作。 结果显示，新型通道结构的换热器总体积减少了约30％，PTES系统的平准化储能成本下降了 7％，自 0.172±0.029 $/kWh 下降至 0.160±0.029 $/kWh。
NETL